摘要: 計量儀表在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化、計量結(jié)算等方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。借助 ＲS485 總線技術(shù)實現(xiàn)計量儀表數(shù)據(jù)采集是企業(yè)實現(xiàn)信息化、智能化的根本保障。文章通過對現(xiàn)有數(shù)采系統(tǒng)通訊存在的問題，進(jìn)行了深入分析，優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)有總線和通訊采集結(jié)構(gòu)，確保了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠傳輸，提升了儀表運(yùn)行監(jiān)測水平，為生產(chǎn)經(jīng)營提供了及時準(zhǔn)確計量數(shù)據(jù)。
目前大部分計量儀表都具備 ＲS485 通訊接口，同時 ＲS485 總線技術(shù)因具有可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于計量儀表數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中。目前天津分公司具有貿(mào)易交接及部際互供各種能源物料計量儀表 342 條回路，介質(zhì)涵蓋原油、天然氣、成品油、水、電、汽、風(fēng) 等 40 種。各種計量儀表都通過應(yīng)用 ＲS485 總線技術(shù)組成能源物料數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，自投入運(yùn)行
以來，在企業(yè)計量結(jié)算、生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化、降本減費(fèi)方面發(fā)揮了重大作用。
1 現(xiàn)狀及問題
1. 1 現(xiàn)狀
為實現(xiàn)企業(yè)計量儀表信息化管理，早在 2003年筆者公司就基于 ＲS485 總線技術(shù)，應(yīng)用 IFix 組態(tài)軟件建立起計量儀表數(shù)據(jù)采集 SCADA 系統(tǒng)，目前儀表采集點(diǎn)數(shù) 3 300 余點(diǎn)。公司每年管輸能源物料如天然氣 ( 3. 42 億 Nm3 ) 、原油( 1 202 萬 t) 、成品油 ( 170. 96 萬 t) 、新鮮水 ( 1 011. 38 萬 t) 、蒸汽 ( 1 033. 06 萬 t) 、氮氧氣 ( 2. 35 億 Nm3 ) 的計量結(jié)算都依靠該 SCADA 系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時為公司級管理系統(tǒng)如實時數(shù)據(jù)庫、計量管理信息系統(tǒng)、MES 等提供數(shù)據(jù)支撐。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
1. 2 存在問題
隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)接入的采集儀表數(shù)量、種類不斷增多，近幾年在數(shù)據(jù)通訊傳輸方面出現(xiàn)了一些問題，給計量監(jiān)控及結(jié)算帶來不小的困擾，主要有如下表現(xiàn)。
( 1) 計量儀表通訊響應(yīng)速率降低，延遲較大，部分儀表返回數(shù)據(jù)在 1 min 甚至更長時間。
( 2) 一些站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)時斷時續(xù)情況。
( 3) 公司生產(chǎn)部門 MES 系統(tǒng)班報要求在計量人員在 30 min 內(nèi)完成 342 臺儀表數(shù)據(jù)報送，經(jīng)常出現(xiàn)采集中斷，人員手工應(yīng)急錄入導(dǎo)致超時提報，容易受考核，給班組人員帶來不小壓力。
( 4) 頻繁數(shù)據(jù)中斷，給計量運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、計量結(jié)算帶來極大影響，容易出現(xiàn)計量糾紛。
2 原因分析
為徹底解決采集系統(tǒng)通訊存在的問題，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，我們從 ＲS485 通訊總線結(jié)構(gòu)、計量儀表通訊協(xié)議 ( Modbus ＲTU) 、IFix 軟件通訊組態(tài)等各項內(nèi)容進(jìn)行了分析排查。
2. 1 ＲS485 總線
ＲS485 采用半雙工工作方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。ＲS485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信，#大的通信距離約為 1 219 m，#大傳輸速率為 10 Mb /s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在 10 kb /s 的傳輸速率下，才可以達(dá)到#大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加 485 中繼器。 ＲS485 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。即采用一條總線將各個節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。ＲS485 總線一般#大支持 32個節(jié)點(diǎn)。
系統(tǒng)建設(shè)初期由于缺少 ＲS485 總線結(jié)構(gòu)整體規(guī)劃，為了實施方便采用了錯誤的組網(wǎng)方式，雖然該方式在儀表數(shù)量不多，數(shù)據(jù)訪問量不大時也能通訊，但為后期儀表數(shù)量增多時埋下隱患，嚴(yán)重影響通訊速率。錯誤的總線連接方式如圖 2 所示。
2. 2 Modubs 通訊協(xié)議
Modbus 是一種串行通信協(xié)議，已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，目前大多數(shù)計量儀表都具有 ＲS485 通訊接口，支持 Modbus 通訊協(xié)議。 Modbus 協(xié)議采用 master/slave 架構(gòu)。有一個節(jié)點(diǎn)是master 節(jié)點(diǎn)，其他使用 Modbus 協(xié)議參與通信的節(jié)
點(diǎn)是 slave 節(jié)點(diǎn)。每一個 slave 設(shè)備都有一個非常好的地址。
目前中心管理的 342 臺計量儀表按結(jié)構(gòu)可分為 ( 質(zhì) 量、渦 街、電 磁、差 壓、超 聲、容 積 式、流量積算儀) 7 類 20 余個廠家不同型號的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品都標(biāo)明完全遵循標(biāo)準(zhǔn) Modbus ＲTU 協(xié)議。但當(dāng)現(xiàn)場總線接在一起進(jìn)行組網(wǎng)通訊時，出現(xiàn)了問題，為此我們開展了測試。
測試結(jié)果表明: 進(jìn)口質(zhì)量流量計通訊性能兼容性較好，部分國產(chǎn)計量儀表協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，同一回路連接超過 3 種類型 10 臺以上儀表通訊會出現(xiàn)收發(fā)超時，數(shù)據(jù)解析異常等情況，其中中斷嚴(yán)重的煉油站儀表超時率 1. 22‰ ( 允差 0. 5‰) 、重試率 0. 85‰ ( 允差 0. 5‰) 、錯誤率 54. 8‰ ( 允 差 1‰) 、超載率 11. 1‰ ( 允差 1‰) ，整體通訊速率低。
2. 3 IFix 通訊組態(tài)配置
IFix 軟件組態(tài)配置方法流程如圖 3 所示。
對儀表通訊速率有重要影響的配置在于1和2兩步本次針對步驟1中的 I/O 驅(qū)動配置進(jìn)行查驗。中心數(shù)采系統(tǒng)應(yīng)用 IFix 的 I/O 驅(qū)動為 MB1 ( 7. x 版 本) 定義串口端口號、主站地址、響應(yīng)超時、重試、延遲時間。
經(jīng)過現(xiàn)場檢查各站配置，在驅(qū)動器中增加儀表且不同儀表配置在同一 COM 口時，系統(tǒng)驅(qū)動器MB1 的 配 置 選 項: 主 輪 詢 速 率 ( Primary Poll Ｒate) 、響應(yīng)超時都采用了默認(rèn)配置的 1 秒，這樣在通道儀表過且存在通訊協(xié)議兼容性差的情況下會出現(xiàn)在儀表還未來及響應(yīng)時上位機(jī)重復(fù)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的情況，從而出現(xiàn)通訊延時。同時在組態(tài)時將儀表流量、溫度、壓力、累計等各寄存器地址分開塊組態(tài)的情況，在上述多參數(shù)讀取時上位機(jī)需要單好發(fā)送每條讀取指令，效率嚴(yán)重降低。
3 總線及采集結(jié)構(gòu)優(yōu)化
3. 1 ＲS485 總線優(yōu)化調(diào)整
( 1) ＲS485 布線不可以布置成星型接線與樹形接線。ＲS485 布線規(guī)范是必須手牽手的布線，如直接布設(shè)成星型連接和樹形連接，很容易造成信號反射導(dǎo)致總線不穩(wěn)定。很多施工方不規(guī)范布線，在儀表數(shù)量不斷增多時，采集通訊出現(xiàn)了問題。針對 ＲS485 總線組網(wǎng)方式錯誤的問題，將現(xiàn)場或盤柜內(nèi)每條 ＲS485 回路儀表連接方式按照標(biāo)準(zhǔn)菊花鏈 ( daisy-chained) 方式連接在一起，如圖4 所示。
( 2) 在每臺處于總線末端的儀表通訊端口都增設(shè)了 250Ω 電阻，以此消除環(huán)境溫度變化有可能對總線回路電阻帶來的影響。
3. 2 通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化改造
( 1) Modbus ＲTU 協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn) Modbus TCP協(xié)議。根據(jù)分析及現(xiàn)場測試得出的部分儀表 Modb- us ＲTU 協(xié)議不標(biāo)準(zhǔn)以及兼容性差，我們應(yīng)用 MOX- A 公司 NPOＲT5630 串口服務(wù)器替換原來的研華多串口辦卡 CP-118EL，實現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議到標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為 Modbus TCP 協(xié)議后同時也解決了多臺上位機(jī)同時采集一臺儀表數(shù)據(jù)問題。
( 2) 將現(xiàn)場不同廠商儀表進(jìn)行分類，同一類型的分配至串口服務(wù)器的同一 COM 口進(jìn)行采集。能夠規(guī)避協(xié)議兼容性影響的同時，由于該串口服務(wù)器都具有多個 COM 口，為以后系統(tǒng)擴(kuò)充升級打下了基礎(chǔ)。
3. 3 IFix 通驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)化改造
( 1) 將上位機(jī) iFix 采集軟件中驅(qū)動程序由原來的 MB1 驅(qū)動 ( Modbus ＲTU 協(xié)議) 變更為 MBE驅(qū)動 ( Modbus Ethernet TCP 協(xié)議) ，以完成協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。
( 2) 修改驅(qū)動器中儀表參數(shù)寄存器地址讀取方式。由流量、溫度、壓力、密度、累計分別讀取的方式改為配置成一個包一次讀取。
( 3) 對 MBE 驅(qū)動器中每臺儀表主輪詢時間、響應(yīng)超時、等待時間、重試次數(shù)等關(guān)鍵通訊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。如適當(dāng)降低主輪詢時間 ( 1 s 變?yōu)? s) ，以避免頻繁發(fā)送讀取數(shù)據(jù)而儀表不能及時響應(yīng)造成的信息獲取超時、擁堵、識別錯誤等故障發(fā)生。此處需結(jié)合現(xiàn)場通道連接儀表數(shù)量做出相應(yīng)設(shè)置，為經(jīng)驗值，無法統(tǒng)一固定。
4 優(yōu)化效果
( 1) 通過應(yīng)用 iFix 軟件任務(wù)管理對各采集站驅(qū)動通訊收發(fā)情況進(jìn)行監(jiān)視，各通道通訊狀態(tài)良好，通訊超時率降為 0. 27‰，重試率 0. 3‰，超載率為 0，全部在允差指標(biāo)范圍內(nèi)。可以看出通訊效果得到明顯改善。
( 2) 通過優(yōu)化及調(diào)整，我們對目前各采集站儀表通訊響應(yīng)速度進(jìn)行統(tǒng)計，原采集各站儀表平均通訊響應(yīng)速度為 48 s，優(yōu)化調(diào)整后為 21 s，響應(yīng)速度提高了2. 3 倍，同時極大的提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。
( 3) 計量儀表數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集不僅關(guān)系到石化企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控，同時精準(zhǔn)、快速的數(shù)據(jù)采集關(guān)系到企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、貿(mào)易結(jié)算。據(jù)統(tǒng)計石化企業(yè)正常生產(chǎn)主要物料投入產(chǎn)出合計流量約 5 000 t /h ( 其中物料 2 800 t /h，能源 2 200 t /h) ，1秒平均值在 1. 39 t。通過此次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，提高了采集速度和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，同時通過應(yīng)用系統(tǒng)加強(qiáng)監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)計量儀表、工藝等異常狀態(tài)，每年為公司找補(bǔ)回原油、航煤、天然氣、石腦油等各種能源物料損失 900 噸，避免直接經(jīng)濟(jì)效益損失約 400 萬元。
5 總結(jié)
計量儀表作為石化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化、效益監(jiān)測的千里眼，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集可靠傳輸是企業(yè)實現(xiàn)信息化、智能化的根本保障。本文通過對企業(yè)能源物料計量儀表數(shù)據(jù)采集通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀問題開展詳細(xì)分析，優(yōu)化調(diào)整 ＲS485 通訊總線及采集結(jié)構(gòu)，解決計量儀表信號傳輸不穩(wěn)定問題，提升了計量儀表運(yùn)行監(jiān)測水平，為生產(chǎn)經(jīng)營提供及時準(zhǔn)確計量結(jié)算數(shù)據(jù)等方面充分發(fā)揮計量把關(guān)作用，效果顯著。同時對于同行業(yè)計量儀表數(shù)據(jù)采集通訊方面可起到參考借鑒意義。
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